CN107445535A - 一种轻骨料混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

一种轻骨料混凝土及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种轻骨料混凝土及其制备方法和应用，由粗骨料、细骨料、水泥、粉煤灰、矿渣粉、减水剂和泵送剂组成，水泥用量为420～500kg/m3，净用水量为150～190kg/m3，粗骨料和细骨料的总体积为1.10～1.60m3，使用本发明的混凝土在远海水运工程预制沉箱等大体积混凝土构件的施工中，通过减轻混凝土构件自重，满足预制沉箱等大体积混凝土构件的水上浮运和安装要求，保证预制沉箱等大体积混凝土构件在高温、高湿和高盐环境条件下的耐久性。

Description

一种轻骨料混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及远海水运工程设计施工领域，更具体地说，涉及一种抗“三高”侵蚀环境的轻骨料混凝土及其配置方法，属于针对特殊侵蚀环境提高混凝土耐久性的混凝土配合比设计技术。
背景技术
近年设计的远海水运工程项目多处于高温、高湿、高盐的环境中，加之远离大陆，维护的难度非常大，耐久性设计方面的问题表现得尤为突出，建设单位希望设计出简单、不损坏、易维护甚至不需要维护的工程结构。设计中遇到珊瑚礁地貌，当礁盘顶面标高接近平均低水位，高水位时大部分被淹没，但水深又很浅时，即不满足陆上作业条件，也不满足水上浮运安装常规混凝土预制构件的吃水要求，较理想的解决方案就是采用轻骨料混凝土减轻混凝土预制构件的自重。
美国在1913年开始研制人造轻骨料，20世纪90年代以来，轻骨料混凝土技术在美国、丹麦、挪威、德国、日本等一些国家得到飞速发展，取得了很大的成果，并编制出一系列的规范性文件。我国轻骨料混凝土的发展和应用相对国外较晚，从20世纪50年代开始研究人造轻骨料，先后研制成多种品质的轻骨料；70年代至80年代，用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总量的50％，用于建筑砌块的约占砌块的27％；进入20世纪90年代，随着高强度、低吸水率的高强轻骨料的研制和生产，轻骨料混凝土在工程中的研究与应用也开始规模化。
但是，我国现行的水运工程设计和施工标准主要针对内水、海岸带或沿岸和近海的水运工程，还未涉及远海项目。由于远海项目特殊的高温、高湿、高盐侵蚀环境，将现行水运工程标准直接用于远海项目，在覆盖性和适用性方面存在较为明显的问题，直接影响工程项目的正常实施，特别是在混凝土耐久性方面存在较大风险，需要制定系统解决方案。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，优选轻骨料混凝土原材料，基于现行混凝土配合比设计方法，配置具有良好耐久性能的轻骨料混凝土，是本发明着重解决的问题，旨在扩展轻骨料混凝土的应用领域，提供一种抗“三高”侵蚀环境(高温、高湿和高盐)的轻骨料混凝土及其配置方法，在远海水运工程预制沉箱等大体积混凝土构件的施工中，通过减轻混凝土构件自重，满足预制沉箱等大体积混凝土构件的水上浮运和安装要求，保证预制沉箱等大体积混凝土构件在高温、高湿和高盐环境条件下的耐久性。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
轻骨料混凝土，由粗骨料、细骨料、水泥、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、泵送剂和水组成，其中：
粗骨料为人造轻集料，粒型为碎石型，颗粒级配为连续级配，公称粒径为(5～20)mm；密度等级不小于700；堆积密度大于600kg/m3；筒压强度不小于5.0MPa；1h吸水率不大于5％；软化系数不小于0.8；平均粒型系数不大于2.0；含泥量不大于2.0％；泥块含量不大于0.5％；煮沸质量损失不大于5.0％；烧失量不大于5.0％；氯化物含量(以氯离子含量计)不大于0.02％；
细骨料为天然海砂，细度模数在2.3～3.0之间，属于中砂范畴；颗粒级配区为Ⅱ区；含泥量不大于3.0％；泥块含量不大于1.0％；5次循环后质量损失不大于8％(即表现为坚固性)；云母含量不大于1.0％；轻物质含量不大于1.0％；氯离子含量(以干砂的质量百分率计)不大于0.06％；贝壳含量不大于5％；
水泥为硅酸盐水泥，安定性应沸煮法合格；初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min；水泥胶砂抗压强度三天时(3d)不小于17.0MPa，二十八天时(28d)不小于42.5MPa；水泥胶砂抗折强度三天时(3d)不小于3.5MPa，二十八天时(28d)不小于6.5MPa；
粉煤灰的细度不大于25.0％；烧失量不大于8.0％；需水量比不大于105％；三氧化硫含量不大于3.0％；
矿渣粉的比表面积不小于400m2/kg；活性指数七天时(7d)不小于75％，二十八天时(28d)不小于95％；
减水剂的pH值为6—8，细度为过筛120—200目，减水率不小于25％，氯离子含量小于等于0.02％，碱含量小于等于0.2％；
泵送剂pH值为6—8，细度为过筛120—200目，坍落度在1h经时变化量不大于60mm，氯离子含量小于等于0.02％，碱含量小于等于0.2％。
在上述技术方案中，水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥。
在上述技术方案中，粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。
在上述技术方案中，矿渣粉为粒化高炉矿渣粉，如S95级矿渣粉。
在上述技术方案中，减水剂为缓凝型聚羧酸系高性能减水剂。
在上述技术方案中，泵送剂为增黏改性泵送剂。
在本发明的轻骨料混凝土中，水泥用量为(420～500)kg/m3，水的用量为(150～190)kg/m3，粗骨料和细骨料松散状态的总体积为(1.10～1.60)m3，砂率为(45～55)％，即细骨料质量/(细骨料和粗骨料的质量之和)，以水泥、粉煤灰和矿渣粉为总胶凝材料用量(质量)，粉煤灰用量不大于总胶凝材料用量的20％，矿渣粉用量不大于总胶凝材料用量的25％，减水剂用量为总胶凝材料用量的(1.0～1.2)％，泵送剂用量为总胶凝材料用量的(0.5～1.0)％。
优选水泥用量为(450～480)kg/m3，水的用量为(160～180)kg/m3，粗骨料和细骨料松散状态的总体积为(1.20～1.50)m3，松散体积砂率(即砂率)为(48～52)％，粉煤灰用量为总胶凝材料用量的(10—20)％，矿渣粉用量为总胶凝材料用量的(10～20)％，减水剂用量为总胶凝材料用量的(1.0～1.2)％，泵送剂用量为总胶凝材料用量的(0.5～0.8)％。
在制备过程中，按照上述组分比例，预先将水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、矿渣粉倒入混凝土搅拌机，开动搅拌机，再将减水剂、泵送剂和水倒入混凝土搅拌机进行拌制，拌制时间为100—150s，优选120—150s即可。
与现有技术相比，本发明的技术方案综合利用各个组分的优势和制备方法，完善混凝土的均质性，避免预制构件产生强度薄弱层的现象，同时降低电通量和氯离子迁移系数，在高湿度、高温和高盐度环境下表现出更好的耐久性能，即在制备处于海水环境下使用的构件中的应用，例如在制备远海水运工程预制沉箱等大体积混凝土构件中的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
首先，根据上述发明内容限定的各个组份的性能要求对原料进行测试和筛选
按照《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-2010)的规定对人造轻粗集料进行筛分析试验；按照《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-2010)的规定测定人造轻粗集料在自然状态下单位体积的质量ρ1a(kg/m3)、筒压强度fa(MPa)、干燥状态1h吸水率ωa(％)、软化系数ψ、平均粒型系数Ke、含泥量ωdu(％)、泥块含量ωcl(％)、煮沸质量损失ωf(％)、烧失量ωs(％)；按照《建筑用砂》(GB/T14684-2011)的规定测定人造轻粗集料的氯化物含量Qf(％)。
按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)的规定对天然海砂进行筛分析试验，并计算其细度模数μf；按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)的规定测定天然海砂的含泥量ωc(％)、泥块含量ωc,L(％)、坚固性δj(％)、云母含量ωm(％)、轻物质含量ωl(％)、氯离子含量ωcl(％)、贝壳含量ωb(％)、堆积密度ρ1s(kg/m3)。
按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346-2011)的规定测定P·O42.5普通硅酸盐水泥的安定性、凝结时间。按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)的规定测定P·O42.5普通硅酸盐水泥的抗压强度Rc(MPa)和抗折强度Rf(MPa)。
按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)的规定测定F类Ⅱ级粉煤灰的细度F(％)、需水量比X(％)。按照《水泥化学分析方法》(GB/T 176-2008)的规定测定F类Ⅱ级粉煤灰的烧失量ωLOI(％)、三氧化硫含量(％)。
按照《水泥比表面积测定方法勃氏法》(GB/T 8074-2008)的规定测定S95级矿渣粉的比表面积S(m2/kg)。按照《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T 18046-2008)的规定测定S95级矿渣粉的7d和28d活性指数A7(％)和A28(％)。
按照《混凝土外加剂均质性试验方法》(GB/T 8077-2012)的规定测定缓凝型聚羧酸系高性能减水剂的pH值、筛余(％)、氯离子含量XCl-(％)、总碱量X总碱量(％)。按照《混凝土外加剂》(GB 8076-201208)的规定测定缓凝型聚羧酸系高性能减水剂的减水率WR(％)。
按照《混凝土外加剂均质性试验方法》(GB/T 8077-2012)的规定测定增黏改性泵送剂的pH值、筛余(％)、氯离子含量XCl-(％)、总碱量X总碱量(％)。按照《混凝土外加剂》(GB8076-201208)的规定测定增黏改性泵送剂的坍落度1h经时变化量ΔSl(mm)。
选用密度等级为700的碎石型人造轻集料：连续级配，公称粒径(5～20)mm；堆积密度700kg/m3；筒压强度12.5MPa；1h吸水率2.0％；软化系数0.9；平均粒型系数2.0；含泥量2.0％；泥块含量0.％；煮沸质量损失2.0％；烧失量1.5％；氯化物含量(以氯离子含量计)0.02％。
选用天然海砂：细度模数2.8；Ⅱ区砂；含泥量1.0％；泥块含量1.0％；5次循环后质量损失5％；云母含量0.6％；轻物质含量0.6％；氯离子含量(以干砂的质量百分率计)0.05％；贝壳含量3％。
选用P·O42.5普通硅酸盐水泥：安定性合格；初凝50min，终凝600min；3d水泥胶砂抗压强度20.1MPa，28d水泥胶砂抗压强度44.5MPa；3d水泥胶砂抗折强度4.0MPa，28d水泥胶砂抗折强度7.0MPa。
选用F类Ⅱ级粉煤灰：细度20.0％；烧失量6.0％；需水量比100％；三氧化硫含量2.3％。
选用缓凝型聚羧酸系高性能减水剂：pH值合格；细度合格；减水率30％；氯离子含量合格；碱含量合格。
选用增黏改性泵送剂：pH值合格；细度合格；坍落度1h经时变化量30mm；氯离子合格；碱含量合格。
其次，按照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51-2002)中的松散体积法，配置强度等级LC30、坍落度(200±20)mm、干表观密度不大于1950kg/m3的抗“三高”环境的轻骨料混凝土，即本发明的混凝土的配合比设计按照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51-2002)中的松散体积法确定各组分的用量。
以水泥，或者水泥和粉煤灰的总量，或者水泥、粉煤灰和矿渣粉的总量为总凝胶材料用量，水泥的最大用量为总胶凝材料用量的15％，矿渣粉最大用量为总胶凝材料用量的15％，减水剂用量为总胶凝材料用量的1.0％，泵送剂用量为总胶凝材料用量的0.5％。
最后，针对配比的混凝土进行性能测试，按照《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》(JTS 239-2015)的规定进行，分别进行电通量试验和抗氯离子渗透性扩散系数电迁移试验。
采用WS-756型恒温恒湿试验箱模拟远海水运工程混凝土构件所处的高温、高湿和高盐环境：温度范围为(1～50)℃，升温速率为5℃/min，降温速率为0.7℃/min，1℃时维持290min，50℃时维持1070min；湿度范围：(60-98)％R.H；潮汐槽内侵蚀海水取自天津外海。试验周期为3个月，即在一个循环中在1℃时维持290min，然后以5℃/min的升温速率升温至50℃并维持1070min，再以0.7℃/min的降温速率降温至1℃，持续进行这样的循环直至3个月的时间。
对上述4种配合比分别拌制轻骨料混凝土拌合物，并按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)的规定分别成型上述4组混凝土构件。待混凝土构件标养至28d龄期后，放入WS-756型恒温恒湿试验箱进行3个月的高温、高湿和高盐环境侵蚀试验。将4组混凝土构件取出，按照《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》(JTS239-2015)的规定，分别进行电通量试验和抗氯离子渗透性扩散系数电迁移试验。经测试，第三组和第四组混凝土构件的电通量(500～510)C，氯离子迁移系数(1.0～1.2)×10-12m2/s，具有良好的耐久性能，优于第一组和第二组的电通量和氯离子迁移系数。
根据本发明内容的记载调整混凝土的组分和含量，均可制备混凝土，并在相同测试条件下表现出与实施例一致的优异性能，可作为高温、高湿度和高盐度条件下使用的材料。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.轻骨料混凝土，其特征在于，由粗骨料、细骨料、水泥、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、泵送剂和水组成，其中：
粗骨料为人造轻集料，粒型为碎石型，颗粒级配为连续级配，公称粒径为(5～20)mm；密度等级不小于700；堆积密度大于600kg/m3；筒压强度不小于5.0MPa；1h吸水率不大于5％；软化系数不小于0.8；平均粒型系数不大于2.0；含泥量不大于2.0％；泥块含量不大于0.5％；煮沸质量损失不大于5.0％；烧失量不大于5.0％；氯化物含量不大于0.02％；
细骨料为天然海砂，细度模数在2.3～3.0之间，属于中砂范畴；颗粒级配区为Ⅱ区；含泥量不大于3.0％；泥块含量不大于1.0％；5次循环后质量损失不大于8％；云母含量不大于1.0％；轻物质含量不大于1.0％；氯离子含量不大于0.06％；贝壳含量不大于5％；
水泥为硅酸盐水泥，安定性应沸煮法合格；初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min；水泥胶砂抗压强度三天时不小于17.0MPa，二十八天时不小于42.5MPa；水泥胶砂抗折强度三天时不小于3.5MPa，二十八天时不小于6.5MPa；
粉煤灰的细度不大于25.0％；烧失量不大于8.0％；需水量比不大于105％；三氧化硫含量不大于3.0％；
矿渣粉的比表面积不小于400m2/kg；活性指数七天时不小于75％，二十八天时不小于95％；
减水剂的pH值为6—8，细度为过筛120—200目，减水率不小于25％，氯离子含量小于等于0.02％，碱含量小于等于0.2％；
泵送剂pH值为6—8，细度为过筛120—200目，坍落度在1h经时变化量不大于60mm，氯离子含量小于等于0.02％，碱含量小于等于0.2％。；
水泥用量为(420～500)kg/m3，水的用量为(150～190)kg/m3，粗骨料和细骨料松散状态的总体积为(1.10～1.60)m3，砂率为(45～55)％，以水泥、粉煤灰和矿渣粉为总胶凝材料用量(质量)，粉煤灰用量不大于总胶凝材料用量的20％，矿渣粉用量不大于总胶凝材料用量的25％，减水剂用量为总胶凝材料用量的(1.0～1.2)％，泵送剂用量为总胶凝材料用量的(0.5～1.0)％。
2.根据权利要求1所述的轻骨料混凝土，其特征在于，优选水泥用量为(450～480)kg/m3，水的用量为(160～180)kg/m3，粗骨料和细骨料松散状态的总体积为(1.20～1.50)m3，松散体积砂率为(48～52)％，粉煤灰用量为总胶凝材料用量的(10—20)％，矿渣粉用量为总胶凝材料用量的(10～20)％，减水剂用量为总胶凝材料用量的(1.0～1.2)％，泵送剂用量为总胶凝材料用量的(0.5～0.8)％。
3.根据权利要求1或者2所述的轻骨料混凝土，其特征在于，水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1或者2所述的轻骨料混凝土，其特征在于，粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。
5.根据权利要求1或者2所述的轻骨料混凝土，其特征在于，矿渣粉为粒化高炉矿渣粉，如S95级矿渣粉。
6.根据权利要求1或者2所述的轻骨料混凝土，其特征在于，减水剂为缓凝型聚羧酸系高性能减水剂。
7.根据权利要求1或者2所述的轻骨料混凝土，其特征在于，泵送剂为增黏改性泵送剂。
8.如权利要求1所述的轻骨料混凝土的制备方法，其特征在于，将水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、矿渣粉倒入混凝土搅拌机，开动搅拌机，再将减水剂、泵送剂和水倒入混凝土搅拌机进行拌制制备。
9.根据权利要求8所述的轻骨料混凝土的制备方法，其特征在于，拌制时间为100—150s，优选120—150s。
10.如权利要求1所述的轻骨料混凝土在制备处于海水环境下使用的构件中的应用，例如在制备远海水运工程预制沉箱等大体积混凝土构件中的应用。
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